高速切削刀具的发展现状

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1、高速切削刀具的发展现状 1引言在机械加工中，切削、磨削加工目前仍是零件最终形成的主要工艺手段。切削加工的主要发展方向之一是高速切削(包括高速软切削、高速硬切削、高速干切削、大进给量切削等)。高速切削时，随着切削速度的提高，切削力逐渐减小，切削温升逐渐趋缓，加工表面质量提高，加工成本降低。为实现切削加工的高速化，必须研究及开发与高速切削相适应的刀具材料、刀具结构及刀具监控技术。表1刀具材料的发展进程材料类型各种刀具材料系列发展年代工具钢碳素工具钢合金工具钢1850高速钢通用高速钢高性能高速钢低合金高

2、速钢粉末冶金高速钢涂层高速钢1928～197819541970～19801977硬质合金普通硬质合金超微粒硬质合金涂层硬质合金TiC基硬质合金(金属陶瓷)1923～19691967～19701959～19781965～1974陶瓷氧化铝基陶瓷碳化硅基陶瓷1938～19551981超硬刀具材料天然金刚石聚晶金刚石立方氮化硼1955～19741957～19742高速切削刀具材料的发展现状从十九世纪中期迄今，刀具材料的发展进程如表1所示。刀具材料的进步是切削加工技术进步的决定性因素之一。对于高速切削加工

3、，刀具材料更具有举足轻重的影响。当切削速度提高时，工具钢材料的刀尖往往会因无法承受切削高温而发生烧蚀或急剧磨损。另一种主要刀具材料硬质合金的主要成分为WC或TiC等硬质碳化物，但由于采用铁系金属作为结合剂，因此通常也难以承受高速切削产生的高温。超硬材料金刚石在700℃左右会发生氧化，但用于加工有色金属时，由于切削温度不是太高，尚可实现较高速度的切削。近三、四十年来刀具材料所取得的突破使高速切削中出现的问题得到了较好解决。一些新型刀具材料(如氧化物、碳化物、氮化物陶瓷刀具和CBN等)具有良好的耐热性

4、；晶须增韧陶瓷刀具和涂层技术的应用大大提高了刀具硬度，并使刀具兼有高硬度的刃部和高韧性的基体；用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片的硬度高达3500～4500HV，己成为高速切削淬硬钢的首选刀具；同样用聚晶方法得到的聚晶金刚石(PCD)刀片的硬度可达6000～1000OHV，用PCD材料制作的车刀、铣刀、钻头等可对有色金属进行高速切削，有时也应用于黑色金属的切削加工。目前适用于高速切削的刀具主要有涂层刀具、金属陶瓷(TiCN基硬质合金)刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)、聚晶金刚石(P

5、CD)刀具等。1.国外高速切削刀具材料发展现状a.涂层刀具材料涂层刀具是通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷等；涂层既可以是单涂层、双涂层或多涂层，也可以是由几种涂层材料复合而成的复合涂层。硬涂层刀具的涂层材料主要有氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)、碳氮化铝钛(TiAlCN)等，其中TiAlN在高速切削中性能优异，其最高工作温度可达800℃。近年来相继开发的一些新型PV

6、D硬涂层材料，如CBN、氮化碳(CNx)、Al2O3、氮化物(TiN/NbN，TiN/VN)等，在高温下具有良好的热稳定性，十分适合用于高速切削。金刚石膜涂层刀具主要适用于加工有色金属。软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2、WS2作为涂层材料的高速钢刀具)主要用于加工高强度铝合金、钛合金或贵重金属材料。此外，最新开发的纳米涂层刀具材料在高速切削中也具有广阔的应用前景，如日本住友公司已开发出纳米TiN/AIN复合涂层铣刀片，涂层共达2000层，每层涂层厚度为2.5nm。a.金属陶瓷刀具材料金属陶瓷具

7、有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性。金属陶瓷材料主要包括高耐磨性TiC基硬质合金(TiC+Ni或Mo)、高韧性TiC基硬质合金(TiC+TaC+WC)、强韧TiN基硬质合金(以TiN为主体)、高强韧性TiCN基硬质合金(TiCN+NbC)等。金属陶瓷刀具可在300～500m/min的切削速度范围内高速精车钢和铸铁。b.陶瓷刀具材料陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类，是通过在氧化铝和氮化硅基体中分别加入碳化物、氮化物、硼化物、氧化物等得到的，此外还有多相陶瓷材料。目前国外开发的氧化铝基

8、陶瓷刀具约有20余个品种，约占陶瓷刀具总量的2/3；氮化硅基陶瓷刀具约有10余个品种，约占陶瓷刀具总量的1/3。陶瓷刀具可在200～1000m/min的切削速度范围内高速切削软钢(如A3钢)、淬硬钢、铸铁及其合金等。表2对应不同加工用途的刀片CBN含量CBN含量刀片加工用途50%连续切削淬硬钢(45～65HRC)65%半断续切削淬硬钢(45～65HRC)80%加工镍铬铸铁90%连续重载切削淬硬钢(45～65HRC)80%～90%高速切削铸铁(v=500～1300m/min)粗切削、